Testowanie wstecznego pola elektromagnetycznego silnika i analiza kształtu fali: Stały pomiar, Rozkład harmoniczny, i optymalizacja komutacji

Back-EMF: Elektryczny odcisk palca silnika

Kiedy wał silnika się obraca, poruszające się pole magnetyczne indukuje napięcie w uzwojeniach stojana nawet przy braku przepływu prądu. Jest to siła wsteczno-elektromotoryczna (wsteczne pole elektromagnetyczne), i jest to pojedynczy pomiar o największej ilości informacji, jaki można uzyskać z wirującej maszyny elektrycznej. Amplituda ujawnia powiązanie strumienia na parę biegunów, a tym samym zdolność silnika do wytwarzania momentu obrotowego na amper. Kształt fali określa, czy maszynę najlepiej napędzać prądami sinusoidalnymi, czy trapezowymi. Zawartość harmonicznych pozwala przewidzieć tętnienie momentu obrotowego, hałas akustyczny, i błąd komutacji. Każda asymetria między fazami – odchylenie amplitudy lub przesunięcie fazowe od idealnego odstępu 120° – sygnalizuje wady produkcyjne zwojów uzwojenia, umiejscowienie magnesu, lub jakość magnesowania, zanim silnik zostanie oddany do użytku.

Dlatego pomiar siły wstecznej EMF przeprowadza się w trzech punktach cyklu życia silnika: podczas wstępnej walidacji projektu (scharakteryzować projekt), podczas próbek przedprodukcyjnych (produkcja bram), oraz na stanowisku testowym końca linii produkcyjnej (ekranuj każdą jednostkę). Każdy kontekst ma inną prędkość pomiaru, dokładność, i wymagania interpretacyjne.

Co ujawniają testy Back-EMF

Stanowisko testowe Back-EMF napędza testowany silnik (brak prądu w jego uzwojeniach) z kontrolowaną prędkością przy użyciu dynamometru głównego napędu, następnie przechwytuje jednocześnie wszystkie trzy napięcia międzyfazowe z dużą częstotliwością próbkowania. Z tego pojedynczego ujęcia, można wyodrębnić kilka właściwości:

• Stała wstecznego pola elektromagnetycznego (kE): Wartość skuteczna lub napięcie międzyszczytowe podzielone przez prędkość kątową wału (V/(rad/s) lub V/krpm). Bezpośrednio proporcjonalna do stałej momentu obrotowego kT = kE dla jednostek SI; odchylenie od celu projektowego wskazuje na złą klasę magnesu, błędy liczenia obrotów, lub nieprawidłowa szczelina powietrzna.
• Kształt fali: Sinusoidalny (PMSM z rozproszonym uzwojeniem), trapezowy (BLDC ze skoncentrowanym uzwojeniem), lub pośredni. Kształt określa optymalny profil prądu napędu.
• Całkowite zniekształcenie harmoniczne (THD): Dominują 5. i 7. harmoniczna w przypadku PMSM do montażu powierzchniowego; 3trzecia harmoniczna dla niektórych maszyn z uzwojeniem skoncentrowanym o ułamkowych szczelinach; 6harmoniczna (mowa o zasadniczym) do maszyn z skośnymi szczelinami.
• Bilans fazowy: Stosunek amplitudy i kąt fazowy pomiędzy UA, UB, Uniwersytet Kalifornijski; powinno być 1.0 i 120° dla zrównoważonej maszyny trójfazowej.
• Pozycja przejścia przez zero: Krytyczne dla czasu komutacji BLDC; przejście przez zero pola elektromagnetycznego wstecznego fazy następuje 30° przed momentem komutacji w 6-stopniowym napędzie trapezowym.

Podstawowe elementy testowe

1. Pomiar stałego Back-EMF (kE)

Silnik obraca się z określoną prędkością testową (zazwyczaj 1,000 Lub 3,000 obr./min) a wartość skuteczna lub szczytowe napięcie międzyfazowe mierzone jest za pomocą precyzyjnego analizatora mocy lub oscyloskopu o wysokiej rozdzielczości (12-nieco lub wyżej). kE oblicza się jako Urms / Oh (gdzie ω jest elektryczną prędkością kątową w rad/s). Testuje się wiele prędkości w celu sprawdzenia liniowości (kE powinno być stałe wraz z prędkością dla maszyny liniowej; odchylenie wskazuje na efekty prądów wirowych lub nasycenia przy dużej prędkości). Wynik porównuje się ze specyfikacją projektową i średnią partii z poprzednich jednostek.

Kluczowe wskaźniki: kE w granicach ±2% specyfikacji odbioru produkcyjnego; współczynnik zmienności (s/m) < 0.5% w ramach partii produkcyjnej.

2. Rozkład harmoniczny i THD

Szybka transformata Fouriera (FFT) kształtu fali tylnego pola elektromagnetycznego rozkłada go na składową podstawową i harmoniczną. Dla PMSM napędzanego prądem sinusoidalnym, amplituda tętnienia momentu obrotowego jest w przybliżeniu proporcjonalna do iloczynu porządku harmonicznego i amplitudy harmonicznej, więc piąta harmoniczna przy 3% podstawowego stanowi mniej więcej 15% tętnienie momentu obrotowego przy 6-krotności częstotliwości podstawowej (6harmoniczna momentu obrotowego). Stanowisko badawcze charakteryzuje każdą harmoniczną co najmniej do 20. rzędu i dokumentuje, które harmoniczne przekraczają próg akceptacji.

Kluczowe wskaźniki (typowy PMSM): 5harmoniczna < 3%; 7harmoniczna < 2%; THD < 5%.

3. Równowaga fazowa i wykrywanie asymetrii

Trzy kanały systemu akwizycji danych jednocześnie przechwytują UA, UB, UW o godz 1 MHz lub więcej. Asymetria amplitudy (jedna faza wyższa lub niższa niż pozostałe dwie) flagi brakuje zakrętów, krótkie zakręty, lub zła polaryzacja magnesu. Asymetria kąta fazowego (nie dokładnie 120° od siebie) wskazuje na problemy mechaniczne — mimośrodowość wirnika, nieprawidłowe ustawienie sektora magnesowania, lub zły skok kręty. Stanowisko testowe podaje oba stosunki amplitud (UA/UB, UB/UC, UC/UA – wszystko powinno być 1.0 ± 1%) i odchylenia kąta fazowego (powinna wynosić 120° ± 1°).

4. Liniowość Back-EMF zależna od prędkości

Ławka zmienia prędkość z 10% Do 100% prędkości znamionowej w krokach i wykresach kE w zależności od prędkości. Idealna maszyna ma płaską kE na całej prędkości; Straty prądów wirowych w magnesie lub żelazie wirnika powodują, że kE wydaje się maleć przy dużej prędkości (strumień skutecznie “przecieki” w prądy wirowe). Maszyny przeznaczone do pracy osłabiającej pole charakteryzują się prędkościami przekraczającymi prędkość podstawową, gdzie wsteczna siła elektromotoryczna nie powinna przekraczać limitu napięcia zasilania, przy którym falownik traci kontrolę prądu.

5. Optymalizacja czasu komutacji BLDC

Do silników trapezowych BLDC, przejście przez zero zwrotnego pola elektromagnetycznego fazy niezasilonej jest sygnałem odniesienia dla komutacji. Ławka charakteryzuje pozycję przejścia przez zero w zależności od obciążenia i prędkości, aby określić optymalny kąt wyprzedzenia (zazwyczaj 0–30° elektryczne). Zbyt wczesny postęp komutacji powoduje, że faza przychodząca walczy z tylnym polem elektromagnetycznym; zbyt późno powoduje spadki momentu obrotowego i utratę wydajności. Stół obsługuje silnik w wielu punktach obciążenia, odchyla kąt wyprzedzenia, oraz mierzy wydajność i tętnienie momentu obrotowego, aby znaleźć optymalną wartość.

Kluczowe wskaźniki: poprawa wydajności dzięki optymalizacji kąta wyprzedzenia: 2–8% w zależności od prędkości; redukcja tętnienia momentu obrotowego: 30–50% przy zoptymalizowanym postępie w porównaniu do. komutacja przejścia przez zero.

6. Współczynnik temperaturowy kE

Do maszyn z magnesami trwałymi, kE maleje wraz ze wzrostem temperatury magnesu ze względu na ujemny współczynnik temperaturowy Br (zazwyczaj -0,11%/°C dla NdFeB). Stół mierzy kE w temperaturze 20°C, 60°C, 80°C, 100°C, i 120°C (przy użyciu komory termicznej lub szacowania temperatury w oparciu o rezystancję uzwojenia). Zmierzony współczynnik jest porównywany z arkuszem danych magnesu; współczynnik znacznie bardziej ujemny niż oczekiwano wskazuje na magnes o niższej jakości niż podano. Test ten służy również do kalibracji modeli termicznych stosowanych w sterowniku silnika pod kątem dokładności obserwatora strumienia.

Testowanie wstecznego pola elektromagnetycznego na końcu linii produkcyjnej

Na linii produkcyjnej, Pomiar wstecznego pola elektromagnetycznego musi zostać ukończony w poniżej 5 sekund na jednostkę. Stanowisko końca linii obraca silnik do stałej prędkości testowej (np., 1,000 obr./min) w ciągu 1–2 sekund, przechwytuje okno danych o tylnym polu elektromagnetycznym o czasie 50–200 ms, i oblicza kE i równowagę fazową. Jednostki poza zakresem tolerancji są oznaczane jako przeznaczone do przeróbki lub złomowania. Niepewność pomiaru stanowiska produkcyjnego (w tym niepewność prędkości, dokładność pomiaru napięcia, i opóźnienia przetwarzania danych) musi być mała w stosunku do tolerancji akceptacji – dla tolerancji ±2% na kE, powinna wynosić niepewność pomiaru na stanowisku badawczym < 0.3%.

Co to oznacza dla wyboru stanowiska testowego

Sprzęt do pomiaru Back-EMF obejmuje prosty oscyloskop i dynamometr stołowy do wczesnych R&D pracujemy nad w pełni zintegrowanym testerem końca linii z automatycznym raportowaniem pass/fail i statystyczną kontrolą procesu (SPC) eksport danych. Krytycznymi specyfikacjami jest szerokość pasma pomiarowego (musi wychwytywać harmoniczne co najmniej do 20. rzędu), jednoczesne przechwytywanie trzech kanałów (dokładne obliczenie kąta fazowego), dokładność pomiaru prędkości (niepewność w ω bezpośrednio mnoży się w niepewność w kE), oraz – w przypadku produkcji – czas cyklu i identyfikowalność danych.

Nasze systemy testowania silników obejmują charakterystykę wstecznego pola elektromagnetycznego jako standardowy element testowy zarówno w R&D i konfiguracje produkcyjne. Do konstrukcji silników, w których jakość tylnego pola elektromagnetycznego jest głównym kryterium projektowym, możemy skonfigurować dedykowane stanowiska charakteryzacyjne z oprogramowaniem analitycznym dostosowanym do topologii Twojego silnika. Aby omówić Twoje wymagania, porozmawiaj z naszym zespołem inżynierów.